智能變電站站域后備保護原理及實現技術研究

于芳

（中工武大設計研究有限公司，武漢 430070）

1 引言

伴隨我國科技的不斷發展以及經濟水平的持續提升，智能變電站已在我國電力行業發展之中發揮著越來越重要的作用，并且成為智能電力形成及發展的一個標志和趨勢。而隨著新時代的到來，電力行業的發展要求也不斷提高，需要智能電站能夠適應這一要求，更好地發揮其作用。但從當前來看，供電站依然存在一些隱性故障，使工作人員難以發現。為了將這些故障問題及時發現、處理和解決，必須依托當前先進的科學技術手段來提升故障處理及解決的效率，智能變電站站域后備保護便能夠有效幫助工作人員發現故障、處理和解決故障，能夠保證智能變電站對電壓進行有效調節，從而保證供電的穩定性，并促進電力行業的穩步發展。

2 智能變電站站域后備保護概述

2.1 智能變電站的概述

從當前乃至今后變電站的發展趨勢來看，智能變電站屬于主流發展趨勢，智能變電站能夠采用集成化、先進可靠及低碳環保的智能化設備，通過計算機技術、通信技術以及數字化技術等一系列先進的技術手段，實現信息的收集、測量及計量、控制以及檢測等多功能的自動化，并且還能夠支持自動控制、互動協調、實時決策分析以及智能協調等諸多功能的智能化變電站。智能變電站集聚了諸多先進技術成果，具有信息數字化、信息共享標準化、通信平臺的網絡化，以及高級應用的互動性等突出特征，在當前電力系統中發揮著重要的作用【1~3】。

2.2 站域后備保護的概念及原理

現階段，關于站域后備保護并無確切的定義，通常而言，智能變電站站域后備保護的構建是以智能變電站開關量、非電量和模擬量方面相關的數據信息為條件進行構建的，能夠對變電站系統和變電站設備之中出現的故障實施快速、準確、可靠的定位，并且還能夠對故障進行有效切除，從而實現繼電保護的一種方式。

電流差動原理在具體的應用范圍方面存在差異，在此基礎上可對整體站域后備保護區域進行劃分，具體可分為站內差動區域、邊界差動區域、搜索差動區域以及元件差動區域，在這4 個差動區域之中，搜索差動區域的范圍在進行定位故障的過程中會出現一些變化，而其他3 個差動區域則相對比較穩定，一般情況下并不會出現變化。經研究可以發現，在劃分的4 個差動區域中，其特點如下：

1）無論智能變電站站域后備保護區域之中出現的故障問題為何，邊界差動區域一直會出現差電流，如果在正常運行狀態下，或者是在保護范圍之外發生故障的情況下，邊界差動區域便不存在差電流，這說明在判斷啟動過程中，可以依據邊界差動區域存在差電流與否來進行判斷【4】。

2）當變電站發生故障問題的情況下，變電站的站內差動區域將不存在差電流，但邊界差動區域可能會存在差電流，所以，在進行故障分析過程中，可以將其作為故障問題判斷的重要依據。

3）在搜索差動區域之中，若含有故障元件，則會存在差電流；若各項元件正常，則將不會存在差電流，因此，可以將此項作為故障元件是否存在的判斷依據。

3 智能變電站站域后備保護的功能及其實現技術

3.1 智能變電站站域后備保護的功能分析

因智能變電站主要是采用IEC 61850 規約通信，其全站可以全面、簡單地實現信息資源共享。在智能變電站之中，站域后備保護會對全站之中全部間隔電流、電壓、斷路器以及刀閘位置等諸多實時信息進行搜集，從而能夠為智能變電站全站所有的一次設備實施近后備保護，并且這種保護可集中實現，也就是說，能夠對母聯后備、斷路器故障后備、線路近后備、母線后備以及主變后備等實施有效的保護。這些后備保護功能具體體現為單個獨立功能模塊，并且各功能模塊之間可以將站域后備保護整體邏輯作為依據來實現相互配合，這種相互配合的關系類似于傳統繼電保護。但是，站域后備保護與就地保護之間不存在定值以及功能方面的相互配合關系。

3.2 智能變電站站域后備保護的優勢分析

因智能變電站可實現全站范圍內的信息共享，所以，站域后備保護能夠在過程層網絡之中有效地搜集全面間隔電流、電壓、斷路器以及刀閘位置等諸多實時信息，從而使繼電保護當前存在的原理和算法能夠更加有效地得到改進，并且還會對當前存在的站域后備保護功能更好地進行補充，從而使同桿雙回線保護出現的各方面難題得到合理有效的解決，并且還能夠有效判別并聯電抗器線路出現的故障【5】。

3.3 智能變電站站域后備保護功能的實現技術

3.3.1 硬件配置

每套站域后備保護均是由故障位置判斷功能模塊、數據搜集計算功能模塊以及跳閘保護決策功能模塊構成的。根據站域后備保護硬件配置結構，各模塊的主要功能如下：

1）數據搜集計算功能模塊：該模塊是依據國際電工委員會IEC 61850 規約，自智能變電站統一的過程層結構上對所需要保護的電壓以及電流電氣量數據進行搜集和計算，同時對全站內部每個斷路器的工作狀態信息進行全面的搜集和計算。

2）故障位置判斷功能模塊：該模塊主要是通過智能變電站元件故障的距離信息和方向信息，來對每一個元件故障距離信息以及方向信息進行計算，并將故障判別的算法進行執行，從而使故障的實際位置得以準確確定。

3）跳閘保護決策功能模塊：站域后備保護主要集成了變壓器保護、斷路器故障保護、母差保護、線路保護以及低壓低頻減載等一系列功能，并以就地電氣量作為依據來對相關保護邏輯的判別進行完成，同時，還將判別所得結果通過GOOSE 這一方式通過統一過程層接口，將跳閘保護決策發送至對應的間隔智能終端上，從而進一步對故障進行解決。

因站域后備保護屬于一種集成化結構，所以，為了使站域后備保護功能發揮的可靠性得到提升，在220kV 及其以上的智能變電站站域后備保護應該采用冗余配置，從而使站域后備保護的功能得到全面發揮。

3.3.2 軟件設計

在對智能變電站站域后備保護配置系統的整體軟件架構進行設計的過程中，其整體軟件架構的構成應該包括操作系統、應用軟件、支持包等方面的設計。而在智能變電站站域后備保護配置系統之中，硬件驅動程度能夠對硬件寄存器、外部存儲器以及定時器進行直接訪問。在對整體軟件架構進行設計過程中，多任務的實時操作系統一般會處于硬件配置與應用軟件中間，在多任務實時操作系統上層通常為應用軟件，而應用軟件則主要是通過程序訪問接口函數來為其提供服務的。而多任務實時操作系統的主要任務則是進行內存管理、任務管理以及調度等系統任務，并且還能夠構建文件系統，同時，還能夠將智能變電站站域后備保護配置系統信息模型的相關文件進行存儲。

基于電流差動原理構建的智能變電站站域后備保護，在實現硬件配置和軟件設計的條件下，還應該完成通信系統設計工作。在這一通信系統之中，其架構主要包括2 大部分，即：輸電線路對端智能變電站采樣值通信網絡和智能變電站內部過程層通信網絡。可通過IEC 61850 規約來構建智能變電站內部過程層通信網絡，而輸電線路對端智能變電站采樣值通信網絡則可以通過IG 以太網交換機來進行構建。完善數據通信系統，能夠對智能變電站站域后備保護功能的實現提供有效保證，是整體系統的關鍵所在。

4 結語

相比于傳統保護裝置，智能變電站站域保護能夠采用一整套完備的裝置來對原來若干套獨立裝置功能進行實現，這便使保護裝置所耗用的成本極大地得到降低。同時，這一保護系統還通過光纖直連的方式完成數據采集，通過網絡出口來實現跳閘保護，這樣既可以對線纜排布進行減少，又能夠保證接線操作更加便捷，從而使安裝效率得到全面提升。此外，在方向比較原理的基礎上，站域后備保護在流程方面更加簡明扼要，在方案算法方面也更為簡單，使傳統后備保護方面存在的問題與缺陷得以有效避免，能夠對全站范圍內出現的元件故障準確、快速地進行定位，具有較高的效率。